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Themen rund um das Laserschweißen und Laserschneiden |
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Technische Entwicklungen

Hochwertige Vorprodukte für die Abgastechnologie

Wenn ein international tätiger Automobilzulieferer Fertigungsanlagen für die Produktion von Teilen des Abgasstrangs einsetzt, handelt es sich dabei oftmals um eine Laserschweißanlage aus Müllheim. Kostendruck, Qualitätsanforderungen und flexible Produktionsbedingungen bilden den Bewegungsrahmen in der Automobilindustrie.

Mit dem Ecostar 200/600 verlässt nun eine hochflexible Rohrfertigungslinie das Stammwerk, auf der Rohrprodukte für Katalysatorengehäuse im 10-Sekundentakt gefertigt werden. Bevor das Rohr die Maschine verlässt, wird die lasergeschweißte Naht geglüht, wodurch die Naht für höhere Belastungen gefestigt wird. Um die Qualität jedes Bauteils verfolgen zu können, wird per Beschriftungslaser ein DataMatrix-Code aufgebracht, der eine Nachverfolgung des Produktes gestattet (Industrie 4.0).

Die Anlage wird im Produktionsprozess durch einen Bediener betreut und stellt sich nach Programmwahl auf das gewählte Programm selbständig ein. Der Programmspeicher beinhaltet alle Rundbiege- und Schweißparameter der Anlage.

Innovative Spanntechnologie zur vollautomatischen Fertigung von runden, ovalen und polygonalen Rohren

Anforderungen nach Flexibilität in der Rohrfertigung im Längen- und Durchmesserbereich und die Minimierung und Beseitigung von Umrüstzeiten waren Anforderungen an ein Maschinenkonzept, das im Materialstärkenbereich von 0,5 bis 2,0 mm erfolgreich ist.

Programmgesteuertes Umrüsten und eine automatische Durchmesseranpassung im Runde- und Schweißbereich, wie sie bereits in verschiedenen Anlagen erfolgreich umgesetzt wurde, bilden die Kernelemente des „Ecostar“. Dabei wird das gerundete Blech durch außen liegende, radial bewegliche Spannleisten gefügt und unter einer stehenden Schweißoptik durchlaufend geschweißt.

Flexibel spannen und schweißen bis 2,0 mm Blechstärke
Der „Ecostar“ ist für einen Durchmesserbereich von 60 - 200 mm, Rohrlängen zwischen 50 - 600 mm und Blechdicken von 0,5 bis 2,0 mm ausgelegt. In den gegebenen Abmessungen ist diese Anlage daher zur Produktion von Katalysatorengehäusen, runden/ovalen Kleinbehältern, Drucktanks u. a. Anwendungen bestens geeignet.

Freiheit in der Rohrgeometrie

Die Anlage bietet neben den bereits realisierten Vorteilen für die heutige Kurzrohrfertigung ohne formgebende Nacharbeit der Rohre große Freiheit in der Rohrgeometrie. Hierbei werden optimale Rundeergebnisse durch eine Kantenanbiegung erzielt. Runde oder ovale Geometrien – auch alternierend – können ab Losgröße 1 in stabiler Prozessqualität reproduziert werden.
Wirtschaftlich im Hinblick auf Investition und Betriebskosten gestaltet sich der Einsatz eines Diodenlasers.

[Ecostar]

Technik reduziert Gewicht und Umweltbelastung

Der US-amerikanische Automobilmarkt ist unbestreitbar einzigartig. Seit 32 Jahren ist das meistverkaufte Fahrzeug in den USA der Ford F-150, ein Pickup mit V8-Motor, der bei Landwirten, Kleinunternehmen und Vorstadtfamilien gleichermaßen beliebt ist. Für einen Außenstehenden mag es den Anschein erwecken, dass die USA sich nicht um den Kraftstoffverbrauch sorgen.
In den letzten zehn Jahren setzte in diesem Punkt jedoch endlich eine Veränderung ein. Seit etwa 10 Jahren ziehen die Benzinpreise deutlich an und die US-Regierung verschärft seit vielen Jahren die Verbrauchsvorschriften, bekannt als Corporate Average Fuel Economy Standards (CAFE). Selbst die derzeitige Flut an preisgünstigem Öl wird die Regierung nicht dazu veranlassen, diese zum Schutz der Umwelt eingeführten Standards rückgängig zu machen. Autohersteller suchen ständig und in allen Aspekten des Fahrzeugdesigns nach Wegen für einen geringeren Kraftstoffverbrauch.

 

Die erste Welle von Verbesserungen brachte die Umstellung der klassischen Konstruktion aus Rahmen und Aufbau zur Karosseriebauweise und die Verkleinerung der Motoren von V8 auf V6 und von V6 auf 4 Zylinder auf dem gesamten Markt. Dadurch konnte die Laufleistung ohne größere Auswirkungen auf die Leistung deutlich erhöht werden. Im Zuge dieser Veränderungen wurden außerdem Automatikgetriebe mit 6, 8, 9 oder 10 Gängen eingeführt. Wer hätte gedacht, dass ein Automatikgetriebe jemals eine bessere Beschleunigung und Kraftstoffeffizienz bieten könnte als ein Schaltgetriebe? Selbst Fords meistverkaufter Truck – fast immer mit einem V8 verkauft – wird heute mit einer Aluminiumkarosserie gebaut und erfreut sich mit dem Ecoboost V6 Turbo immer größerer Beliebtheit. Die US-Verbraucher und -Automobilhersteller achten auf den Kraftstoffverbrauch und nehmen den Wandel in der Automobillandschaft durchaus wahr.

Heute sind die großen und „einfachen“ Design-Änderungen zumeist bereits umgesetzt und die Ingenieure versuchen mit Detailarbeit aus jedem Pkw-Modell jedes Gramm überflüssiges Gewicht zu entfernen. Vergleicht man das typische Gewicht von 3500 lb der von den US-amerikanischen „Big 3“ (Chrysler, Ford und General Motors) entworfenen Limousinen mit dem Gewicht der ebenfalls in den USA gebauten asiatischen Limousinen, erkennt man schnell, dass die USA noch einen weiten Weg vor sich haben.

Es ist bekannt, dass das Laserschweißen eine große Rolle bei der Gewichtsreduzierung spielen kann. In Karosserie- und Fahrwerksanwendungen ist es bereits weit verbreitet und ermöglicht es Ingenieuren, die für eine Schweißverbindung benötigte Metallmasse zu reduzieren. Beim Laserschweißen können kleinere Überlappungen und Laschen eingesetzt werden als beim Punktschweißen. Darüber hinaus erfordert das Laserschweißen keinen Zugang zur Rückseite der Schweißnaht. Genau diese Vorteile werden auch bei Abgasanlagen eingesetzt.

 

Die letzte Generation von Auspufftöpfen bestand typischerweise aus Stanzteilen mit Längsnähten und Endkappen, die entweder mit Schließnähten oder Überlappnähten befestigt wurden (ABBILDUNG 1). Eine herkömmliche Schließnaht besteht aus vier Materialschichten, die sich überlappen und mindestens 3/8 oder 1/2 Zoll über die gesamte Schale überlappen, wodurch Material verschwendet und die Masse erhöht wird. Die gestanzten Endkappen mussten in das Ende des Auspufftopfs eingelassen werden, um eine ausreichende Überlappung für eine Nahtverriegelung oder Überlappungsschweißung zu haben. Dadurch wird die Masse erhöht und die Feinabstimmung wird beeinträchtigt. Die Lösung ist das Laserschweißen: Speziell in der Abgasanlage ermöglicht das Laserschweißen den Verzicht auf Schließnähte und Überlappnähte bei gleichzeitiger Reduzierung der Emissionsleckrate.

Durch neue Fahrzeugdesigns entstehen Probleme mit der Abgasanlage

Interessanterweise stehen die Ingenieure für Abgasanlagen bei der Entwicklung moderner Fahrzeugkonzepte vor besonderen Herausforderungen:

  • Wie bei allen anderen Teilen des Fahrzeugs muss das Gewicht der Abgasanlage reduziert werden, um den Kraftstoffverbrauch zu senken –  sie muss leichter werden.
  • Das Verlangsamen des Motors durch den Einsatz größerer Getriebeübersetzungen senkt die zu dämpfenden Frequenzen, was zu größeren durchschnittlichen Abstimmvolumina führt. Diese größeren Auspufftöpfe benötigen traditionell mehr Bauraum – das Innere muss größer werden.
  • Durch den verstärkten Einsatz von Hybrid-Elektroantrieben wird Bauraum für die Batteriepakete benötigt, wodurch der Bauraum für das Abgassystem reduziert wird – das Äußere muss kleiner werden.
  • Die zunehmende Verwendung von Allradsystemen reduziert den verfügbaren Platz für die Abgasanlage noch weiter und verkompliziert die Rohrkonstruktionen – es muss aus dem Weg gehalten werden.

Das Laserschweißen in der Abgasanlage wird seit vielen Jahren vor allem im Nutzfahrzeugbereich eingesetzt. Die im Vergleich zu Abgasanlagen für Pkw geringeren Volumina und größeren Bauteile erschweren die Beschaffung von geeigneten Rundschalen oder reduzieren die Wirtschaftlichkeit, es sei denn, sie werden von Rollformern und Längsnahtschweißern maßgefertigt. Die Technologie für stumpfgeschweißte Abgaskomponenten steht also bereit und die hohen Stückzahlen im Pkw-Bereich können durch die hohen Geschwindigkeiten des Laserschweißens gut bedient werden. Rollgeformte Auspufftöpfe bieten mehr Volumen als gestanzte Schalen mit eingesetzten Rippen. Stumpfgeschweißte Auspufftöpfe wiegen weniger als solche mit Falznähten oder überlappend geschweißte Einheiten und weisen keinen offensichtlichen potentiellen Leckagepunkt auf, an dem die Dose auf die Endkappe trifft. An den Auspufftopf angeschweißte gewölbte Endkappen ermöglichen ein höheres Abstimmvolumen und weniger Gewicht.

Darüber hinaus sind laminierte Auspufftöpfe bei einigen der größten Automobilhersteller der Welt aktuell sehr beliebt. Die Herstellung der Auspufftopfschale aus zwei dünneren Edelstahlteilen kann eine verbesserte Schalldämmung gegenüber einem einwandigen Auspufftopf bieten und ermöglicht die Auswahl von Materialien mit unterschiedlichen Korrosionsschutzeigenschaften für die Innen- und Außenseite des Teils. Das Laserschweißen ist dafür perfekt geeignet, da beide Schichten gleichzeitig mit einer kosmetisch ansprechenden Schweißnaht und ohne Festigkeitsprobleme stumpf verschweißt werden können.

Moderne Auspufftöpfe verfügen über Schalen, Köpfe und reduzierte Kulissenstärken (ABBILDUNG 2). Außerdem weisen sie die folgenden Eigenschaften auf:

  • Geschweißte Nähte zur Vermeidung von Schließnähten;
  • manche Schalen von Auspufftöpfen bestehen aus zwei Materialschichten von je 0,5 mm;
  • einige einschichtige Schalen weisen eine Materialstärke von bis zu 0,6 mm auf;
  • bei tiefgezogenen Köpfen kann die Anfangsdicke 1,2 mm betragen;
  • Strukturierte Auspufftopfschalen helfen bei der Unterdrückung von Abstrahlgeräuschen;
  • die Leitbleche sind bereits nur noch 0,8 mm dünn und sie werden wahrscheinlich noch dünner; und
  • Nicht strukturelle Durchgangsrohre werden in Zukunft 0,6 mm oder noch dünner sein.

Katalysatoren

Auch Katalysatoren, die als „warme Enden“ bezeichnet werden, können vom Laserschweißen profitieren und sind in Bezug auf die Einführung modernerer Fertigungstechniken vielleicht sogar etwas voraus. Zweischalige Katalysatoren mit überlappenden Schweißnähten scheinen gegenüber stumpfgeschweißten Rohrkonstruktionen an Boden zu verlieren, egal ob mit WIG- oder Laserschweißung. Dadurch wird ihre Masse reduziert, der Platzbedarf verringert und es macht eine Spezialmaschinenfertigung überflüssig. Eine lasergeschweißte Katalysatorschale kann an den Enden zudem auf den Rohrdurchmesser heruntergedreht werden, sofern eine kleine Nachbearbeitung wie Glühen oder Nahtglätten erfolgt.

Rohrschweißen

Ein weiterer Vorgang, bei dem das Laserschweißen den Konstrukteuren von Abgasanlagen Vorteile bietet, ist die Herstellung der Innenrohre, die die verschiedenen Kammern des Auspufftopfes verbinden. Traditionell werden diese Rohre auf einer speziell dafür gebauten „Stanzmaschine“ hergestellt, bei der die Löcher in das Rohr gestanzt werden. Die Wartung des mechanischen Werkzeugs kann sich jedoch schwierig darstellen und der Einsatz hinterlässt einen Stempelgrat auf der Innenseite des Rohres, was zu einem Pfeifgeräusch im Betrieb führen kann.

Das Laserschweißen von Rohren aus vorgestanzten Stahlcoils ermöglicht es, jedes gewünschte Lochbild zu erzeugen und der Grat entsteht auf der Außenseite des Rohres.

Auch heute noch verwenden Hersteller von Auspufftöpfen in Nordamerika Schließnähte an ihren Schalldämpfern, die europäischen Hersteller hingegen haben das Laserschweißen bereits eingeführt. Da das Design durch Gewichtsreduzierung, Abstimmungsvolumen, Leckraten und Qualitätsstandards immer weiter vorangetrieben wird, bietet das Laserschweißen eine Reihe von einzigartigen Vorteilen, um den zukünftigen Anforderungen an die Auslegung von Abgasanlagen gerecht zu werden.


Dan Robinson vice president of sales bei Weil Engineering North America
drobinson(at)weilengineering.com

Flexible Laserzelle: Wegfall von Transportzeiten durch Zusammenfassen von Arbeitsfolgen

Ein Greifer schwenkt mit einem in einer Presse vorgeformten Bauteil in eine Spannvorrichtung, holt aus einem Magazin ein vorbereitetes Abdeckblech und ein Laserstrahl fügt die beiden Teile zusammen. Gleichzeitig schneidet ein Laser auf der Nachbarstation eine Reihe Blechsegmente und ein Greifer setzt diese Segmente eines nach dem anderen in das zuvor geschweißte Bauteil. Nach einem Dutzend wiederholten Schneid-, Transport- und Schweißoperationen legt ein Roboter die fertige Blechbaugruppe auf ein Ausfuhrband, während an anderer Stelle der Prozess schon wieder von vorne begonnen hat. Ein Mitarbeiter kontrolliert die Magazine sowie Bauteilzu- und abfuhr und die FLC 1002 arbeitet kontinuierlich das vorbereitete Programm ab. Ein kurzer Blick auf den Kontrollmonitor bestätigt: Produktion läuft, Ausbringung bis zu vier Bauteilen pro Minute.

Die FLC 1002 ist eine Laserzelle, die Laserschneid- und Schweißprozesse (in einer Aufspannung = CutFusion Prozess) ausführen kann. Den Transport zwischen den einzelnen Arbeitsschritten übernimmt eine interne Automatisierung (Transportachsen, Roboter). Im Zusammenspiel zwischen Bearbeitungsoptiken, der Spannvorrichtungen und den Automatisierungsachsen wird jede gewünschte Position des Bauteils lasergerecht positioniert.

Die eigentliche Stärke dieses Anlagentyps liegt darin, alle Bauteile können in einer Aufspannung vollständig bearbeitet werden, denn die FLC 1002 ist so konzipiert, die Schneid- und Schweißoperationen in einer Zwangslage durchzuführen. Höchste Präzision und Reproduzierbarkeit sind das Ergebnis. Das Ziel der Entwicklung ist die Verbesserung der Fertigungsprozesse (Wegfall von Transportzeiten durch Zusammenfassen von Arbeitsfolgen), die Steigerung der Bauteilqualität sowie merkliche Kosteneinsparungen durch den Einsatz von Lasertechnik.

Spannvorrichtungen und Programmierung sind auf die jeweiligen Bauteile zugeschnitten. In Zusammenarbeit mit dem Kunden werden die einzelnen Wechselvorrichtungen eingefahren und die Bearbeitungsprogramme vorbereitet. In der Produktion obliegt es dem Kunden, nach Einbau der Vorrichtungen und nach Aufruf des Programms, die Feinjustierung vorzunehmen und die Fertigung kann beginnen. Weitere kundenseitige Vorrichtungen und Programme sind in der FLC 1002 durchaus realisierbar.

[FLC]

Erstmalig vereint: Laserschneiden und Laserschweißen in einer Maschine

Mit dem Ziel, Projektierungsaufwand, Durchlaufzeiten und Montageaufwand radikal zu senken, entwickelte weil technology eine flexible Laserzelle, die neue Perspektiven für das Bauteildesign eröffnet. Zusammen mit einem integrierten und zusätzlichen adaptiven Handlings-System können ganze 3D-Blechbaugruppen in einer Maschine aufgebaut werden. Die Maschine besteht aus zwei Stationen, die je nach den Fertigungsanforderungen konfiguriert werden können.

Das Material in Coil- oder Platinenform wird in 2D-Bauteilen auf einem Präzisionsspanntisch geschnitten und vor der Vereinzelung direkt von einem Roboterhandling vom Schneidprozess abgenommen. Dadurch sind diese nun zu 100 % lageorientiert und frei von Schneidspritzern oder anderen Verunreinigungen, wie sie in konventionellen Schneidlösungen auftreten.

In diesem Zustand werden sie direkt der Schweißvorrichtung (Station 2) zugeführt und zu einer Baugruppe verschweißt. Das Entladen der fertigen Baugruppe sowie das magazinierte Zuführen zusätzlicher Bauteile zur Baugruppe erfolgt ebenfalls über einen Handlings-Roboter. Somit entfallen gegenüber der sequentiellen Fertigung Prozesse wie Bauteilsortierung, Logistik, Bauteilaufbereitung für den Schweißprozess (Reinigung) sowie Mess-Sensorik für Lageerkennung und Orientierung.

Auch Änderungen oder Anpassungen der Schneidkonturen sind durch die CADCAM basierte Programmierung jederzeit möglich.

Als besonderes Highlight bietet diese Laserzelle den CutFusion-Prozess:

Hier werden Bauteile in einer Aufspannung mit den folgenden Prozessschritten komplett bearbeitet: Schneiden – Schweißen – Schneiden - automatische Zufuhr von Anbaukomponenten - Schweißen.

So können zwei pressenfallende Halbschalen in einer Aufspannung mit dem Laserschneidprozess besäumt  –  in derselben Aufspannung mit einander verschweißt  – Schneiden einer Loch-Kontur auf dem verschweißten Bauteil  –  Zufuhr einer Gewindebuchse über das integrierte Handlings-System  –  Heften und Verschweißen der Buchse mit Laser realisiert werden. Hierbei ist die Lage der Bauteile bzw. der geschnittenen Konturen für die Zufuhr von Bauteilen und den Schweißprozess in jedem Prozessschritt immer bekannt. Es entfällt das sensorische Erfassen des 3D-Bauteils für den Fügeprozess sowie das Erfassen der Position von nachträglichen Schneidkonturen für die Zufuhr von Bauteilen.

Gewonnen werden dadurch kürzere Bearbeitungszeiten, deutlich höhere Bauteilgenauigkeit im Vergleich zu sequentiellen Fertigungslösungen sowie höchste Flexibilität für Änderungen oder Anpassungen geänderter Buchsen durch fertige Bearbeitungszyklen.

Flexible Laser Cell / CutFusion

Laserschneiden und -schweißen in einer Aufspannung

Das Verfahren wurde dafür entwickelt, die Qualität und Präzision der Bauteile auf Höchstmaß zu steigern. Die Schneid- und Schweißoperationen werden ohne eine Zwischenablage in einer Zwangslage (Vorrichtung) durchgeführt.

Mit der internen Automatisierung können Komponenten dem Schweißprozess oder der Spannvorrichtung zugeführt werden. Eine jeweils separate Optik für das Schweißen und Schneiden schafft eine maximale Genauigkeit und minimale Prozesszeit. Nicht wertschöpfende Transportzeiten entfallen durch das Zusammenfassen von Arbeitsfolgen. Pufferbildung zwischen den Arbeitsfolgen entfällt ebenfalls.

Durch die Kombination der beiden Verfahren in einer Anlage können teure Verfahren mit einem wirtschaftlichen und qualitativen Vorteil für den Kunden ersetzt werden:

  • Reduziert den logistischen Aufwand und vereinfacht den Materialfluss
  • Produktqualität und Präzision der Bauteile werden verbessert
  • Neue gestalterische Freiheiten ermöglichen einen Wettbewerbsvorteil für den Kunden.
     

Anwendungsfelder

  • Medienleitende Systeme
  • Halbzeugstrukturen
  • Substitutionvon Gussbauteilen
  • Hochpräzise Profilverbindung von Rohr und Vierkant